6 2.1. Semen Pemboran
Cementing atau penyemenan adalah proses pendorongan Slurry ke dalam casing, masuk menuju annulus antara casing dengan formasi dan casing dengan casing. Kemudian didiamkan sampai Slurry tersebut mengeras hingga mempunyai sifat menahan, baik terhadap casing maupun formasi.
Tujuan utama dari operasi proses penyemenan adalah untuk mengisolasi zona annulus pada sumur agar tidak terjadi masuknya fluida dari formasi kedalam sumur.
Kegagalan dalam operasi penyemenan dapat menimbulkan banyak permasalahan, antara lain: kerusakan pada formasi produktif, Lost Circulation saat sirkulasi lumpur, kecilnya laju produksi yang kemudian apabila hal ini terjadi harus segera dilakukan Secondary Cementing Process.
2.1.1. Fungsi Penyemenan
Dilakukannya suatu operasi penyemenan pada casing sumur-sumur minyak, gas, secara umum bertujuan untuk :
a. Mengikat casing dengan formasi sehingga casing menjadi kokoh pada dinding lubang sumur.
b. Mencegah adanya migrasi fluida yang tidak diinginkan dari formasi ke dalam lubang bor.
c. Melindungi casing dari tekanan yang berasal dari bagian luar casing, maupun dari dalam casing yang dapat menimbulkan Collapse and Burst.
d. Menutup zona Lost Circulation, zona blow out, serta zona berbahaya lainnya.
Untuk memenuhi fungsi-fungsi tersebut di atas, maka semen pemboran harus memenuhi beberapa syarat, yaitu :
a. Semen setelah ditempatkan harus mempunyai kekuatan atau strength yang sesuai standart API dalam waktu tertentu.
b. Semen harus memberikan daya ikat casing dengan formasi yang baik.
c. Semen tidak boleh terkontaminasi dengan kotoran (cairan formasi) yang dapat merubah sifat fisik dari Slurry.
d. Semen harus stabil atau tidak mudah berubah strength-nya setelah beberapa waktu dari penempatannya.
e. Semen harus Impermeable (<0,1 mD).
2.1.2. Macam Penyemenan
Menurut alasan dan tujuannya penyemenan dapat dibagi menjadi dua, yaitu Primary Cementing dan Secondary Cementing.
2.1.2.1. Primary Cementing
Primary Cementing adalah proses pendorongan Slurry kedalam annulus melalui lubang bor. Primary cementing merupakan tahapan penyemenan yang harus dilakukan dengan sempurna untuk mencegah Kegagalan dalam primary cementing dapat berakibat fatal . Tujuan dari Primary Cementing adalah :
a) Memisahkan lapisan yang akan diproduksi dengan lapisan – lapisan yang lainnya.
b) Mencegah terjadinya aliran fluida (air, minyak atau gas) dari formasi kedalam sumur.
c) Memberi kekuatan pada zona yang lemah.
d) Melindungi casing dari korosi.
e) Melindungi casing terhadap tekanan.
f) Memberi kekuatan pada casing (Compressive Strength dan Shear Bond Strength).
g) Mencegah terjadinya blow out dari annulus.
Gambar 2.1 menunjukkan tujuan dari tahap Primary Cementing, yaitu tahap pemompaan Slurry kedalam annulus melalui lubang bor, sehingga tidak terjadi aliran fluida dari formasi ke lubang sumur dan menjaga casing tetap kokoh.
Gambar 2.1. Primary Cementing (Nelson, E.B., 1990)
2.1.2.2. Secondary Cementing
Secondary Cementing adalah penyemenan tahap kedua setelah Primary Cementing dilaksanakan, yang sifatnya memperbaiki dan membantu penyemenan tahap pertama karena penyemenan yang kurang sempurna. Secondary Cementing merupakan proses pendorongan Slurry dengan tekanan tertentu kedalam ruang kosong seperti perforasi, rekahan, celah dibelakang casing, maupun zona yang poros.
2.1.3. Klasifikasi Semen Pemboran
Klasifikasi semen pemboran yang banyak digunakan saat ini merupakan klasifikasi yang telah distandartkan oleh API (American Petroleum Institute). API mengelompokkan semen pemboran menjadi delapan kelas, yaitu kelas A hingga kelas H. API mengelompokkannya berdasarkan kedalaman semen akan ditempatkan, suhu dan tekanan yang akan dihadapi. Pada Tabel II-1 dapat dilihat klasifikasi semen berdasarkan API dan parameter standart lainnya untuk setiap klasifikasi semen. Semen pemboran berdasarkan API adalah :
a. Kelas A : Digunakan dari permukaan sampai kedalaman 6000 ft (1830 meter) dengan temperatur hingga 800C dan tidak tahan terhadap sulphate. Tersedia hanya dalam tipe Ordinary (O), digunakan pada kondisi normal. (Setara dengan ASTM C-150 tipe I).
b. Kelas B : Digunakan dari permukaan sampai kedalaman 6000 ft (1830 meter) dan temperatur hingga 800C dengan kondisi formasi banyak mengandung sulphate. Tersedia dalam tipe Ordinary (O) dan Moderate Sulphate Resistant (MSR). (Setara dengan ASTM C-150 tipe II).
c. Kelas C : Digunakan dari permukaan sampai kedalaman 6000 ft ft (1830 meter) dan temperatur hingga 800C pada kondisi dimana diperlukan pengerasan yang cepat. Tersedia semen tipe Ordinary (O), Moderate Sulphate Resistant (MSR) dan High Sulphate Resistant (HSR). (Setara dengan ASTM C-150 tipe III).
d. Kelas D : Digunakan dari kedalaman 6000 ft (1830 meter) sampai 10.000 ft (3050 meter) dengan kondisi tekanan formasi dan temperatur sedang (antara 80 – 1300C). Tersedia semen tipe Moderate Sulphate Resistant (MSR) dan High Sulphate Resistant (HSR).
e. Kelas E : Digunakan dari kedalaman 10.000 ft (3050 meter) sampai 14.000 ft (4270 meter) dengan kondisi temperatur (130 – 1450C) dan tekanan formasi
tinggi. Tersedia semen tipe Moderate Sulphate Resistant (MSR) dan High Sulphate Resistant (HSR).
f. Kelas F : Digunakan dari kedalaman 10.000 ft (3050 meter) sampai 16.000 ft (4880 meter) dengan kondisi temperatur (130 – 1600C) dan tekanan formasi yang sangat tinggi. Tersedia semen tipe Moderate Sulphate Resistant (MSR) dan High Sulphate Resistant (HSR).
g. Kelas G : Digunakan sebagai semen dasar untuk penyemenan dengan kedalaman dari permukaan sampai 8000 ft (2440 meter) dengan temperatur hingga 900C. Bila ditambah dengan aditif, maka semen kelas G ini dapat digunakan pada tekanan dan temperatur yang lebih tinggi serta kedalaman yang lebih. Tersedia semen tipe Moderate Sulphate Resistant (MSR) dan High Sulphate Resistant (HSR). Merupakan semen standart dalam operasi pemboran.
h. Kelas H : Digunakan sebagai semen dasar untuk penyemenan dengan kedalaman dari permukaan sampai 8000 ft (2440 meter) dengan temperatur hingga 950C. Tersedia semen tipe Moderate Sulphate Resistant (MSR) dan High Sulphate Resistant (HSR).
Tabel II-1
Klasifikasi Semen Berdasarkan API Specific 10A API
Classification
Mixing Water (gal/sk)
Slurry Weight
(lb/gal) Well Depth (ft)
Static Temperatur (0F)
A (portland) 5,2 15,6 0 to 6.000 80 to 170
B (portland) 5,2 15,6 0 to 6.000 80 to 170
C(high early) 6,3 14,8 0 to 6.000 80 to 170
D (retarded) 4,3 16,4 6.000 to 12.000 170 to 260 E (retarded) 4,3 16,4 6.000 to 14.000 170 to 290 F (retarded) 4,3 16,2 10.000 to 16.000 230 to 320
G (basic) 5,0 15,8 0 to 8.000 80 to 170
H (basic) 4,3 16,4 0 to 8.000 80 o 170
2.1.4. Komposisi Semen
Semen yang biasa dipergunakan dalam industri perminyakan adalah semen Portland, yang dikembangkan oleh Joseph Aspdin tahun 1824. Disebut Portland karena mula-mula bahannya didapat dari pulau Portland di Inggris. Semen Portland ini termasuk semen hidrolis dalam arti akan mengeras bila bertemu atau bercampur dengan air.
Pada Gambar 2.2 merupakan Gambar yang diambil dengan mikroskop (Photograph supplied by La Farge Coppee), yang menunjukkan terdapat empat komponen mineral utama penyusun butiran semen. Mineral yang dominan adalah C3S. Mineral ini memberikan strength yang besar dengan waktu pengerasan yang cepat..
Semen Portland mempunyai empat komponen mineral utama, yaitu :
Gambar 2.2. Empat Komponen Semen Portland (Nelson, E.B., 1990)
a. Tricalcium Silicate
Tricalcium silicate (3CaO.SiO2) dinotasikan sebagai C3S, yang dihasilkan dari kombinasi CaO dan SiO2. Komponen ini merupakan yang terbanyak dalam semen Portland, sekitar 40 % - 50 % untuk semen yang lambat proses pengerasannya dan sekitar 60 % - 65 % untuk semen yang cepat proses
pengerasannya (high-early strength cement). Komponen C3S pada semen memberikan strength yang besar pada awal pengerasan.
b. Dicalcium Silicate
Dicalcium silicate (2CaO.SiO2) dinotasikan sebagai C2S, yang juga dihasilkan dari kombinasi CaO dan SiO2. Komponen ini sangat penting dalam memberikan final strength semen. Karena C2S ini membuat hidrasi menjadi lambat maka tidak terpengaruh dalam setting time semen, akan tetapi sangat menentukan dalam kekuatan semen lanjut. Kadar C2S dalam semen tidak lebih dari 20 %.
c. Tricalcium Aluminate
Tricalcium aluminate (3CaO. Al2O3) dinotasikan sebagai C3A, yang terbentuk dari reaksi antara CaO dengan Al2O3.
Walaupun kadarnya lebih kecil dari komponen silika (sekitar 15 % untuk high early strength cement dan sekitar 3 % untuk semen yang tahan terhadap sulphate), namun berpengaruh pada rheology Slurry dan membantu proses pengerasan awal pada semen.
d. Tetracalcium Aluminoferrite
Tetracalcium aluminoferrite (4CaO.Al2O3.Fe2O3) dinotasikan sebagai C4AF, yang terbentuk dari reaksi CaO, Al2O3 dan Fe2O3. Komponen ini hanya sedikit pengaruhnya pada strength semen. API menjelaskan bahwa kadar C4AF ditambah dengan 2 kali kadar C3A tidak boleh lebih dari 24 % untuk semen yang tahan terhadap kandungan sulphate yang tinggi. Penambahan oksida besi yang berlebihan akan menaikkan kadar C4AF dan menurunkan kadar C3A, dan berfungsi menurunkan panas hasil reaksi / hidrasi C3S dan C2S.
Semen Portland terbuat dari raw material yang sangat berpengaruh terhadap komposisi bubuk semen yang dihasilkan. Ada 2 macam raw material yang dibutuhkan dalam menghasilkan semen Portland, yaitu :
1) Material Calcareous
Material ini berisi kalsium karbonat dan kalsium oksida yang sebagian besar terdiri dari limestone dan batuan semen.
a) Limestone adalah batuan terbentuk dari sebagian besar zat zat organik sisa (seperti kerang laut atau koral) yang terakumulasi.
Limestone merupakan komponen dasar dari kalsium karbonat.
b) Batu semen adalah batuan yang komposisinya serupa dengan semen batuan.
c) Kapur adalah limestone kekuning-kuningan atau abu-abu dan halus yang sebagian besar berasal dari kerang-kerang laut.
d) Marl atau tanah kapur adalah tanah yang rapuh dan mengandung bahan-bahan pokok kalsium karbonat.
e) Alkali adalah zat kimia yang berasal dari pembuangan pabrik yang mengandung kalsium oksida atau kalsium karbonat.
2) Material Argillaceous
Material ini berisi clay atau mineral clay .
a) Clay adalah bahan yang bersifat plastis bila basah dan keras bila dipanaskan. Terdiri dari sebagian alumunium silikat dan mineral lainnya.
b) Shale adalah batuan fosil yang terbentuk dari gabungan clay dan silt.
c) Slate atau batu tulis adalah batuan padat dan berbutir baik, yang dihasilkan dari pemampatan clay , shale dan batuan lainnya.
d) Ash adalah abu hasil pembakaran batu bara.
2.1.5. Pembuatan Semen
Pembuatan Semen Portland melalui beberapa tahap berikut : a. Proses Peleburan.
b. Proses Pembakaran.
c. Proses Pendinginan.
d. Proses Penggilingan.
2.1.5.1. Proses Peleburan
Dalam proses peleburan, ada dua cara yang umum digunakan, yaitu : a) Dry process
Pada awal proses ini pertama-tama raw material dihancurkan, lalu dikeringkan di rotary dries. Hasilnya dibawa ke tempat penggilingan untuk dileburkan. Kemudian hasil leburan ini masuk ketempat penyaringan, dan partikel-partikel yang kasar dibuang dengan sistem sentrifugal. Hasil saringan ini ditempatkan di beberapa silo (tempat berbentuk tabung yang tertutup) setelah didapat komposisi kimia yang diinginkan, kemudian akan melalui proses pembakaran Kiln. Susunan peralatannya dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3. Proses Peleburan Kering (Nelson, E.B., 1990)
b) Wet Process
Pada proses ini, raw material dicampur dengan air, lalu dimasukan ke tempat penggilingan (Grinding Mill). Campuran ini kemudian dipompa melalui
‘Vibrating Screen’. Material-material yang kasar dikembalikan kepenggilingan,
sementara campuran yang lolos yang berupa suspensi ini ditampung pada suatu tempat berbentuk kolom-kolom. Di tempat ini, suspensi mengalami proses rotasi dan pemampatan agar didapat campuran yang homogen. Di tempat ini pula, komposisi kimia suspensi di ubah-ubah untuk didapatkan komposisi yang diinginkan sebelum dibawa ke Kiln. Urutan proses peleburan basah dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Proses Peleburan Basah (Nelson, E.B., 1990)
2.1.5.2. Proses Pembakaran
Setelah melalui salah satu proses peleburan di atas, campuran tersebut dimasukan ketempat pembakaran (Kiln). Di Kiln, campuran ini berputar-putar kemudian berubah menjadi clinker. Proses ini dapat dilihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5. Proses Pembakaran (Nelson, E.B., 1990)
Ada 6 tahap temperatur yang harus dilalui campuran di Kiln, yaitu : a) Tahap 1 (Temperatur sampai dengan 2000C)
Di tahap ini campuran mengalami proses penguapan air bebas.
b) Tahap 2 (T = 200 – 8000C)
Pada tahap ini campuran mengalami proses pra-pemanasan, dimana partikel-partikel clay mengalami dehidroksidasi (pembebasan unsur-unsur hidroksida).
c) Tahap 3 (T = 800 – 11000C) dan Tahap 4 (T = 1100 –13000C)
Pada tahap ini campuran mengalami proses pembebasan unsur karbon (dekarbonisasi). Dehidroksidasi mineral-mineral clay disempurnakan dan didapat hasil yang berbentuk kristal. Kalsium karbonat membebaskan sejumlah besar karbondioksida. Produk bermacam-macam kalsium aluminat dan ferit mulai terjadi.
d) Tahap 5 (1300 – 1500 – 13000C).
Pada tahap ini sebagian campuran reaksi menjadi padat pada suhu 15000C (Clinkering temperature), C2S dan C3S terbentuk. Sementara itu lime, alumunia dan oksida besi tetap dalam fasa cair.
e) Tahap 6 (1300 – 10000C)
Pada tahap ini, C3A dan C4AF berubah dari fasa liquid menjadi padat dan berbentuk kristal.
2.1.5.3. Proses Pendinginan
Proses pendinginan sebenarnya telah dimulai dari sebagian tahap 5, ketika temperatur mulai menurun dari “clinkering temperature”.
Kualitas clinker dan selesainya pembuatan semen sangat tergantung dari laju pendinginan perlahan-lahan sekitar 4 – 50C (7 – 80F) sampai suhu 12500C, kemudian pendinginan cepat sekitar 18 – 200C (32 – 360F) per menit.
Saat laju pendinginan lambat 4 – 50C, C3A dan C4AF dengan cepat mengkristal, kristal C3S dan C2S menjadi lebih teratur dan MgO bebas juga meng-
kristal (Mineral ini disebut Periclase). Pada kondisi ini, aktifitas hidrolik kecil.
Compressive Strength awal tinggi, namun strength selanjutnya akan menurun.
Saat laju pendinginan cepat, fasa liquid (yang terjadi pada tahap 5) memadat seperti gelas. C3A dan C2S menurun. MgO bebas tetap dalam fasa gelas, sehingga menjadi kurang aktif dan menyebabkan semen menjadi kurang kokoh.
Pada kondisi ini, Compressive Strength awal rendah, namun strength selanjutnya tinggi.
2.1.5.4. Proses Penggilingan
Pada tabung penggiling ada bola-bola baja yang dapat mengakibatkan sekitar 97 – 99 % energi yang masuk berubah menjadi panas. Oleh karena itu diperlukan pendinginan, karena bila terlalu panas akan banyak gypsum yang menghidrasi menjadi kalsium sulphate hemihidrate (CSH1/2) atau larutan anhidrit (CS).
Akhirnya dari proses penggilingan pada Gambar 2.6, didapat bubuk semen yang diinginkan, hasil dari penggilingan clinker dengan gypsum (CSH2).
Hasil ini kemudian di pack terlebih dahulu baru dapat didistribusikan.
Gambar 2.6. Proses Penggilingan dan Storage (Nelson, E.B., 1990)
2.1.6. Sifat Fisik Semen Pemboran
Slurry yang dibuat harus disesuaikan sifat-sifatnya dengan keadaan formasi yang akan disemen. Sifat-sifat yang dimaksud adalah sebagai berikut :
densitas, rheology, Thickening Time, Filtration Loss, Free Water, Permeabilitas dan strength.
2.1.6.1. Densitas
Penambahan air dan aditif dapat mempengaruhi densitas Slurry. Pada umumnya densitas Slurry dibuat lebih besar dari densitas lumpur yaitu sekitar 2 ppg lebih besar. Hal ini mengingat bahwa kontaminasi lumpur akan meningkat dengan densitas yang relatif sama. Penentuan densitas Slurry tergantung dari faktor berat jenis bubuk semen dan air. Densitas total dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
Va Vw
Vc
Ma Mw
Ds Mc
...………(2-1).
Keterangan :
Ds : Slurry Density, lb/gall.
Mc : Massa bubuk semen, lb.
Mw : Massa air, lb.
Ma : Massa aditif, lb.
Vc : Volume bubuk semen, gall.
Vw : Volume air, gall.
Va : Volume aditif, gall.
Densitas Slurry sangat berpengaruh terhadap tekanan hidrostatis Slurry di dalam lubang sumur. Bila formasi tidak sanggup menahan tekanan Slurry, maka akan menyebabkan formasi pecah, sehingga terjadi Lost Circulation. Untuk mengurangi densitas Slurry dapat ditambahkan aditif jenis extender, atau bahan- bahan yang dapat memperbesar volume Slurry seperti pozzolan dan bentonite.
Untuk memperbesar densitas Slurry dapat ditambahkan material-material pemberat ke dalam Slurry seperti hematite.
2.1.6.2. Rheology
Pengujian rheology Slurry dilakukan untuk menghitung hidrolika operasi penyemenan. Pengunaan dari hubungan yang tepat pada perkiraan kehilangan
tekanan akibat friksi dan sifat-sifat aliran Slurry sangat tergantung dari besaran pengukuran parameter rheology dilaboratorium.
Ada dua tipe dasar alat yang digunakan untuk pengukuran rheology, yaitu Capillary Pipe Rheometer dan Coaxial Cylinder Rotational Viscometer. Alat yang digunakan pada pengukuran rheology di laboratorium Analisa Semen Pemboran adalah Rotational Viscometer yang lebih dikenal dengan Rheometer atau Fann VG Meter.
Rheology lumpur, spacer, dan bubur semen yang akurat dapat menggiring pada “displacement” yang effektif pada lumpur di annulus, sehingga menjamin penempatan dan “bonding” semen yang baik. Penggunaan parameter rheology dari fluida yang kita pompakan dapat membawa kita dengan mudah melakukan perhitungan perhitungan pada proses perencanaan penyemenan. Antara lain :
Annular velocity dan laju pemompaan yang diperlukan pada aliran plug, laminar ataupun turbulent.
Kecepatan bubur semen di annulus dan di sepanjang “liner lap”
Tekanan friksi dalam pipe dan annulus dari aliran lumpur bor, spacer dan bubur semen.
Tekanan pompa yang akan dihadapi pada masa pendorongan (displacement).
“Contact time” bagi sejumlah spacer yang kita pompakan.
Waktu yang kita perlukan dalam operasi penyemenan.
Viskositas merupakan bagian pokok dalam sifat-sifat rheology fluida pemboran. Pengukuran sifat-sifat rheology semen pemboran sangat penting mengingat diperlukannya ukuran viskositas sebesar 40 cp pada semen pemboran agar dapat di pompakan pada proses sementasi sumur pemboran.
Viskositas terbagi menjadi dua yaitu plastic viscosity dan yield point.
Viskositas plastik seringkali diGambarkan sebagai bagian dari resistensi untuk mengalir yang disebabkan oleh friksi mekanik. Yield point adalah bagian dari resistensi untuk mengalir oleh gaya tarik menarik antar partikel. Gaya tarik menarik ini disebabkan oleh muatan-muatan pada permukaan partikel yang didispersi dalam fasa fluida.
Untuk menentukan plastic viscosity (PV) dan yield point (YP) dengan menggunakan Fann Vg digunakan rumus :
300 100
1.5 R R
PV ………..(2-2)
dan,
PV R
YP 300 ... (2-3)
2.1.6.3. Filtration Loss
Filtration Loss adalah laju hilangnya cairan dalam Slurry ke dalam formasi permeabel yang dilaluinya. Cairan atau umumnya air yang masuk ini disebut dengan filtrat. Filtrat yang hilang tidak boleh terlalu banyak, karena akan membuat Slurry kekurangan air yang disebut dengan flash-set. Bila Slurry mengalami flash-set, maka akibatnya akan sama dengan air yang dicampurkan dalam Slurry dengan jumlah lebih kecil dari kadar minimumnya. Akibatnya friksi pada annulus akan naik, pressure loss naik dan tekanan Slurry di annulus juga naik. Bila hal ini terjadi, maka formasi akan rekah. Jadi dapat disimpulkan, bila formasi yang akan dilalui Slurry merupakan formasi yang porous dan permeabel, maka perlu penambahan aditif yang sesuai sebelum Slurry dipompakan. Filtration Loss yang direkomendasikan oleh API adalah :
a. Untuk formasi permeabel dengan zona gas, dimana migrasi gas mudah terjadi maka Slurry dianjurkan memiliki Fluid Loss antara 20 – 40 ml/30 menit.
b. Untuk semen densitas tinggi dengan pengurangan kadar air yang dapat menimbulkan gangguan pada operasi pemompaan semen terutama pada pemompaan yang rendah API Fluid Lossnya adalah kurang dari 50 ml/30 menit.
c. Dan untuk semen casing produksi API Fluid Lossnya adalah kurang dari 100 ml/30 menit.
Pengujian Filtration Loss di laboratorium menggunakan alat HPHT filter press pada kondisi dan temperatur sirkulasi dengan tekanan maksimum 1000 psi.
Filtration Loss diketahui dari volume filtrat yang ditampung dalam sebuah tabung
atau gelas ukur selama 30 menit masa pengujian. Bila waktu pengujian tidak sampai 30 menit maka besarnya Filtration Loss dapat diketahui dengan rumus :
t F
F t 5.477
30 …………...………...(2-4).
Keterangan :
F30 : Filtrat pada 30 menit.
Ft : Filtrat pada t menit.
t : Waktu pengukur, menit.
2.1.6.4. Thickening Time
Thickening Time didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan Slurry untuk mencapai konsistensi sebesar 100 UC (Unit of Consistency). Konsistensi sebesar 100 UC merupakan batasan bagi Slurry masih dapat dipompakan lagi.
Dalam penyemenan, sebenarnya yang dimaksud dengan konsistensi adalah viskositas, hanya dalam pengukuran ada perbedaan prinsip, sehingga penggunaan konsistensi ini dapat digunakan untuk membedakan viskositas pada operasi pemboran (lumpur pemboran) dan operasi penyemenan.
Penentuan Thickening Time Slurry ini sangatlah penting, waktu pemompaan harus lebih kecil dari Thickening Time, karena bila tidak, akan menyebabkan Slurry akan mengeras terlebih dahulu sebelum seluruh Slurry mencapai target yang diinginkan. Bila Slurry mengeras di dalam casing sebelum mencapai target, akan menyebabkan konstruksi sumur menjadi rusak.
Apabila suatu sumur mempunyai kolom penyemenan yang panjang (sumur-sumur dalam), maka diperlukan waktu pemompaan yang lama maka agar tidak terjadi pengerasan sebelum sampai pada target yang ditentukan maka Thickening Time dari Slurry harus diperpanjang yaitu dengan cara penambahan suatu aditif yang berfungsi untuk memperpanjang Thickening Time. Aditif yang dimaksudkan disini disebut dengan retarder, seperti Calsium lignosulfonate, Carboxymethyl Hidroxyethyl Cellulose dan senyawa-senyawa asam organic.
Sedangkan untuk sumur-sumur yang dangkal diperlukan Thickening Time yang tidak begitu lama, karena selain target yang dicapai tidak terlalu panjang
juga dapat dilakukan efisiensi waktu pengerjaan. Aditif yang digunakan untuk mempercepat Thickening Time disebut dengan accelerator, seperti : Calsium Clorida, Sodium Clorida, Gypsum, Sodium Silicate dan Air Laut.
Perencanaan besarnya Thickening Time bergantug pada kedalaman sumur dan waktu untuk mencapai target daerah yang akan disemen. Di laboratorium pengukuran Thickening Time menggunakan alat high pressure high temperature consistometer (HPHT) yang disimulasikan pada kondisi temperatur dan tekanan tertentu. Thickening Time Slurry ditunjukkan pada harga 100 UC untuk standart API, namun ada perusahaan lain yang menggunakan angka 70 UC (Hudbay) dengan pertimbangan faktor keselamatan, kemudian diekstrapolasi ke 100 UC.
2.1.6.5. Free Water
Free Water didefinisikan sebagai kandungan air bebas yang terpisah dari Slurry, dimana harga Free Water yang terlalu besar akan mengakibatkan terjadinya pori-pori pada semen, karena air bebas tersebut tidak ikut terhidrasi.
Pori yang terjadi akan mengakibatkan Permeabilitas semen menjadi lebih besar, sehingga menyebabkan kontak fluida antara formasi dengan annulus, dan juga strength semen menjadi berkurang.
Dalam penentuan harga Free Water, hal yang perlu diperhatikan adalah Water Cement Ratio (WCR) dari Slurry tersebut dimana harga dari WCR Slurry tidak boleh melebihi kadar air maksimum atau kurang dari kadar air minimum yang telah ditetapkan.
Kadar air minimum adalah sejumlah air yang dicampurkan kedalam Slurry, tanpa menyebabkan konsistensi Slurry lebih dari 30 Uc. Bila air yang ditambahkan kurang dari kadar minimumnya maka akan terjadi gesekan-gesekan (friksi) yang cukup besar di annulus sewaktu Slurry dipompakan dan juga akan menaikkan tekanan di annulus.
Sedangkan kadar air maksimum adalah sejumlah air yang dicampurkan kedalam Slurry tanpa menyebabkan pemisahan lebih dari 3,5 ml air bebas dalam 250 ml Slurry jika didiamkan selama 2 (dua) jam pada temperatur kamar. Bila air
bebas yang dihasilkan lebih dari 3,5 ml, maka akan terjadi pori-pori pada semen.
Hal ini akan mengakibatkan semen mempunyai Permeabilitas yang besar.
Pada Tabel II-2 dapat dilihat jumlah penggunaan penggunaan air yang direkomendasikan untuk semen pemboran yang diklasifikasikan oleh API.
Tabel II-2
Kandungan Air yang Direkomendasikan oleh API (Nelson, E.B., 1990) API Class
Cement
Water (%) By Weight of Cement
Water Gal per
Sack
Liter per Sack
A dan B 46 5,19 19,6
C 56 6,32 23,9
D, E, F, and H 38 4,29 16,2
G 44 4,97 18,8
2.1.6.6. Permeabilitas
Perhitungan Permeabilitas batuan semen di laboratorium dapat dilakukan dengan menggunakan “Cement Permeameter”. Permeabilitas diukur dengan menghitung laju alir fluida yang melalui luas permukaan sampel yang diberi perbedaan tekanan sepanjang sampel tersebut. Perhitungan Permeabilitas menggunakan rumus darcy sebagai berikut :
P A
L K Q
………...(2-5)
Keterangan :
K : Permeabilitas, mD.
Q : Laju alir, ml/s.
: Viskositas, cp.
L : Panjang sampel, cm.
A : Luas permukaan sampel, cm2.
∆P : Perbedaan tekanan, psi.
Harga Permeabilitas maksimum yang direkomendasikan oleh API adalah tidak lebih dari 0,1 mD. Permeabilitas semen erat kaitannya dengan kekuatan semen. Harga Permeabilitas yang kecil akan menyebabkan harga strength yang besar begitupun sebaliknya.
2.1.6.7. Compressive Strength & Shear Bond Strength
Strength pada semen terbagi menjadi dua yaitu Compressive Strength dan shear bond strength. Compressive Strength didefinisikan sebagai kekuatan semen dalam menahan tekanan-tekanan yang berasal dari formasi maupun dari dalam casing, sedangkan shear bond strength didefinisikan sebagai kekuatan semen dalam menyangga casing. Jadi Compressive Strength menahan tekanan-tekanan dalam arah horizontal dan shear bond strength menahan tekanan-tekanan pada arah vertikal.
Pengujian strength di laboratorium dilakukan dengan menggunakan beberapa alat, yaitu:“Curing Chamber” (HPHT) dan water curing bath (low temperature), yang kemudian diuji kekerasannya dengan menggunakan API Compressive Strength Tester. Curing chamber dapat mensimulasikan kondisi semen untuk tekanan dan temperatur tinggi sesuai dengan temperatur dan tekanan formasi. Sedangkan pengukuran compressive strength secara manual juga dapat dilakukan dengan menggunakan Alat Hydraulic Carver Press, dengan menggunakan persamaan
) (
) (
inch2
aanSample LuasPermuk
Pound a
tPenekanan lakukanSaa
GayaYangDi
KuatTekan ... (2-6)
dimana : Kuat tekan dalam satuan pound per square inch (psi).
Sampel yang digunakan dalam pengujian compressive Strength adalah sampel kubus berukuran 2x2 inchi dan sampel yang digunakan pada shear bond strength adalah sampel berbentuk tabung yang berukuran 2x1 inchi.
Dari segi teknis, strength semen diharuskan memenuhi dua fungsi prinsip berikut, yaitu :
a. Kuat menahan pipa selubung, dan b. Mengisolasi zona-zona permeabel.
2.1.7. Aditif Penyemenan
Bermacam-macam aditif telah dibuat orang untuk memenuhi kebutuhan bermacam-macam kondisi sumur, seperti kedalaman, temperatur, tekanan dan densitas. Aditif atau zat-zat tambahan adalah material yang ditambahkan pada Slurry untuk memberikan variasi yang lebih luas pada sifat-sifat Slurry agar memenuhi spesifikasi yang diinginkan.
Beberapa fungsi aditif yang sering dipakai adalah:
a. Accelerator.
b. Retarder.
c. Extender.
d. Weighting Agent.
e. Dispersant.
f. Fluid Loss Control Agent.
g. Lost Circulation Control Agent.
h. Special Additive.
2.1.7.1. Accelerator
Accelerator merupakan aditif yang digunakan untuk mempercepat pengerasan Slurry. Penggunaan aditif ini terutama untuk penyemenan pada temperatur dan tekanan rendah (sumur yang dibor masih dangkal) yang umumnya juga karena jarak untuk mencapai target tidak terlalu panjang. Contoh-contoh aditif yang berlaku sebagai accelerator yang umum digunakan adalah Calcium Chloride, Sodium Chloride, Gypsum, Sodium Silicate dan Sea Water. Pada Tabel II-3 dapat dilihat jumlah penggunaan beberapa macam accelerator yang standart dan optimum berdasarkan API.
Tabel II-3
Jumlah Penggunaan Accelerator untuk semen Kelas A,B, C, G dan H (Smith, Dwight K., 1990)
Accelerator Amount Used (wt% of cement) Calcium chloride (CaCl2)
(flake, powdered, anhydrous)
2 to 4 Sodium chloride (salt - NaCl) 3 to 10 * Gypsum - hemyhydrate form
(plaster of Paris)
20 to 100 Sodium silicate (Na2SiO2) 1 to 7,5 Cement dispersant
(with reduced water)
0,5 to 1,0 Sea water (as mixing water) DOCP
* Percent by weight of water
2.1.7.2. Retarder
Retarder merupakan aditif yang digunakan untuk memperpanjang waktu pengerasan. Retarder biasa digunakan dalam proses penyemenan pada sumur yang dalam dengan kondisi temperatur tinggi. Aditif yang berfungsi sebagai retarder antara lain : Lignosulfonate, Organic Acids, Modified Lignosulfonate, Carboxy Methyl Hydroxy Ethyl Cellulose. Pada Tabel II-4 dapat dilihat standart penggunaan Retarder yang dianjurkan berdasarkan API.
Tabel II-4
Standart API Penggunaan Retarder (Smith, Dwight K., 1990)
Material Usual Amount Used
Lignin retarder 0,1 to 1,0% *
Calcium lignosulfonate, organic acid 0,1 to 2,5% * Carboxymethyl Hidroxythyl Cellulose (CMHEC) 0,1 to 1,5%
Saturated salt 14 to 16 lbm/sack of cement
Borax 0,1 to 0,5% *
* Percent by weight of water
2.1.7.3. Extender
Merupakan aditif yang digunakan untuk membuat volume Slurry menjadi lebih banyak dari setiap sak semenya, karena diperlukan penambahan air. Dengan demikian extender berfungsi sebagai aditif yang dapat mengurangi atau menurunkan densitas Slurry. Yang termasuk extender adalah : Bentonite- Attapulgite, Gilsonite, Perlite dan Pozzolan. Pada Tabel II-5 dapat dilihat jumlah penggunaan standart extender berdasarkan API.
Tabel II-5
Standart API Penggunaan Extender (Smith, Dwight K., 1990)
Material Amount Used
Bentonite 2 to 16 wt% of cement
Diatomaceous earth 10, 20, 30 or 40 wt% of cement
Gilsonite 1 to 50 lb/sk of cement
Coal 5 to 50 lb/sk of cement
Expanded perlite 5 to 20 lb/sk of cement
Nitrogen 0 to 70%
Sodium silicate
1 to 1,75 lb/sk of cement
2.1.7.4. Weighting Agent
Weighting agent merupakan aditif yang digunakan untuk memperbesar densitas Slurry dan biasanya digunakan pada formasi yang bertekanan tinggi.
Yang termasuk dalam aditif ini adalah : Hematite, Ilmenite, Barite dan Sand. Pada Tabel II-6 dapat dilihat standart penggunaan material pemberat yang direkomendasikan oleh API.
Tabel II-6
Standart API Penggunaan Material Pemberat (Smith, Dwight K., 1990)
Material
Amount Used (wt% of cement)
Hematite 4 to 104
Ilmenite (iron-titanium oxide) 5 to 100
Barite 10 to 108
Sand 5 to 25
Salt 5 to 16
Cement with dispersant and reduced water 0,05 to 1,75
2.1.7.5. Dispersant
Adalah aditif yang berfungsi untuk mengurangi viskositas Slurry.
Pengurangan viskositas atau friksi terjadi karena dispersant mempunyai kelakuan sebagai thinner (pengencer). Hal ini menyebabkan Slurry menjadi encer, sehingga dapat mengalir dengan aliran turbulensi walaupun dipompa dengan laju pemompaan yang rendah. Aditif yang sering digunakan adalah Organic Acids, Lignosulfonate, Polymers dan Sodium Chloride. Pada Tabel II-7 dapat dilihat jumlah penggunaan dispersant yang direkomendasikan oleh API.
Tabel II-7
Standart API Penggunaan Dispersant (Smith, Dwight K., 1990) Type of Material
Amount Used (lb/sack of cement)
Polymer : Blend 0,3 to 0,5
Long chain 0,5 to 1,5
Sodium chloride 1 to 16
Calcium lignosulfonate, organic acid
(retarder and dispersant) 0,5 to 1,5
2.1.7.6. Fluid Loss Control Agent
Fluid Loss control agent adalah aditif yang berfungsi mencegah masuknya fasa liquid Slurry ke dalam formasi, sehingga kandungan cairan pada Slurry tetap utuh. Aditif yang termasuk ke dalam Fluid Loss control agent diantaranya polymer, CMHEC dan Latex. Pada Tabel II-8 dapat dilihat jumlah penggunaan Fluid Loss control agent yang direkomendasikan oleh API.
Tabel II-8
Standart API Penggunaan Fluid Loss Control Agent (Smith, Dwight K., 1990) Type and Function of
Additive
Recommended Amount Types of Cement How Handled Organic polymer (cellulose)
to form micellers
0,5 to 1,5% All API classes Dry mixed Organic polymers (dispersant) to improve praticle-size
Distribution and form micelles in the filter cake
0,5 to 1,25% All API classes (densified) Dry mixed or with mixing water Carboxymethyl hydroyethyl
cellulose to form Micelles
0,3 to 1,0% All API classes Dry mixed Latex additive to form films 1,0 gal/sack All API classes Dry mixed or with
mixing water Bentonite cement with dispersant to improve
Particle-size distribution 12 to 16% gel, 0,7 to 1,0% dispersant
API class A, G, or H Batch mixed
2.1.7.7. Lost Circulation Control Agent
Seperti halnya dengan sirkulasi lumpur pemboran pada sirkulasi Slurry pada penyemenan bisa juga terjadi kehilangan Slurry. Sehingga di sini perlu ditambahkan aditif untuk menghindari hal tersebut. Lost Circulation Materials diantaranya adalah : Walnut Hulls, Cellophane Flakes dan Nylon Fibers. Pada Tabel II-9 dapat dilihat jumlah penggunaan aditif Lost Circulation yang direkomendasikan oleh API.
Tabel II-9
Standart API Penggunaan Aditif Lost Circulation (Smith, Dwight K., 1990)
Type Material Nature of
Particles Amount Used Water Required Additive for Controlling Lost Circulation
Granular Gilsonite Graded 1 to 50 lbm/sack 2 gal / 50 lbm Perlite Expanded 1/2 to 1 cuft/sack 4 gal/cuft Walnut shells Graded 1 to 5 lbm/sack 0,85 gal / 50 lbm Lamellted Coal Graded 1 to 10 lbm/sack 2 gal / 50 lbm
Fibrous Cellophane Flake 1/8 to 2 lbm/sack None
Nylon Short-fibered 1/8to1/4
lbm/sack None
Formulation of Material for Controlling Lost Circulation Semisolid or
flash setting
Gypsum cement - - 4,8 gal / 100 lbm
Gypsum / portland
cement - 10% to 20%
gypsum 5,0 gal / 100 lbm Bentonite cement - 10 to 25% gel 12 to 16 gal/sack Cement + sodium
silicate - -
(the silicate is mixed with water before
adding cement)
Quick gelling Bentonite / diesel oil - - -
2.1.7.8. Special Additive
Ada bermacam-macam aditif lainnya yang dikelompokkan sebagai speciall additive, diantaranya adalah strength retrogression material, mud kill, radioactive tracers, fibers, antifoam agent dan MgO.
a. Mud Decontaminant
Berfungsi sebagai aditif yang menetralisir Slurry terhadap zat-zat kimia dalam lumpur pemboran. Contoh mud kill adalah paraformaldehyde. Mud kill juga memberi keuntungan seperti memperkuat ikatan semen dan memperbesar strength semen.
b. Radioactive Tracers
Radioactive tracers ditambahkan ke dalam Slurry untuk memudahkan operasi logging dalam menentukan posisi semen dan mengetahui kualitas ikatan semen.
c. Antifoam Agent
Adanya foam (busa) dalam Slurry sering menyebabkan hilangnya tekanan pemompaan, maka untuk mencegahnya ditambahkan antifoam agent.
Polypropylene Glycol adalah contoh antifoam agent yang sering digunakan, karena selain efektif juga harganya murah.
d. Strength Retrogression Material
Istilah “Strength Retrogression” dipakai untuk menjelaskan pada suatu kondisi menurunnya nilai “compressive strength” pada semen yang telah mengeras dikarenakan paparan suhu (BHST) yang sangat tinggi, kondisi ini dimulai jika suhu BHST > 230ºF pada masa yang lama. Paparan suhu tinggi mengakibatkan semen tersebut menjadi “permeable” atau dapat dengan mudah mengalirkan air dan rapuh. Kondisi semen yang diharapkan adalah dapat menyangga casing (selubung) dan menyekat cairan antara formasi yang berlainan. Jika telah terjadi “strength retrogression” maka kondisi yang diharapkan tersebut tidak dapat tercapai. Kondisi ini biasanya terjadi antara 8 jam sampai dengan satu minggu , kadang kala baru terdeteksi setelah sebulan.
Jika telah terjadi tidak ada kemungkinan lain untuk mencegah ataupun memperbaiki kondisi tersebut, mungkin dapat juga dilakukan perbaikan dengan
“multiple remedial squeeze jobs” (pekerjaan perbaikan dengan semen desak), tetapi prosesnya menjadi sangat pelik, lambat dan memerlukan biaya yang sangat besar.
Cara terbaik mengatasinya yaitu dalam perencanaan campuran semen untuk penyemenan casingnya ditambahkan material Silicon Dioxide yaitu Silica Flour (tepung silica 200 Mesh), ataupun Sand (silica 100 Mesh). Disarankan menambahkan SiO2 antara 40 % s/d 50 % BWOC .
e. MgO
MgO merupakan aditif yang digunakan untuk meningkatkan shear bond strength Slurry sekaligus menurunkan densitas Slurry. MgO merupakan salah satu aditif special yang dapat membuat semen menjadi mengembang sehingga
dapat memperkuat daya ikatnya terhadap casing atau terhadap formasi. Hal tersebut diakibatkan oleh mineral ettringite yang terdapat didalam MgO, dimana mineral tersebut dapat mengembang pada saat proses hidrasi Slurry terjadi. Pada Tabel II-10 dapat dilihat jumlah penggunaan standart untuk aditif special yang direkomendasikan oleh API.
Tabel II-10
Aditif Spesial Untuk Semen (Smith, Dwight K., 1990) Aditif Recommended Quantity Mud decontaminants 1,0% *
Silica flour 40 to 50% * Radioactive tracers Variable
Dyes 0,1 to 1,0% *
MgO Max 6%
Fibers 0,125 to 0,5% *
Gypsum 4 to 10% *
* Percent by weight of cement
